КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1994 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к области смешивания неоднородных жидкостей с различными физическими свойствами и может быть использовано для приготовления эмульсий, суспензий в пищевой, химической промышленности, в энергетике и т. п. при смешивании двух или более составляющих для производства водомазутных смесей, масла, маргарина, бумаги, красок, эмульсии октадециламина в воде и др. веществ.

Известен кавитационный реактор с прямоугольным корпусом и установленными в корпусе цилиндрическими обтекателями с насечкой на поверхности цилиндра, причем отношение расстояния между обтекателями к диаметру обтекателя равно 0,8-1,1, а отношение высоты обтекателя к его диаметру равно 0,8-1,2 [1].

В реакторе недостаточно высок уровень навигации, ограничен объем и напор подачи кавитирующей жидкости возможностями насосных устройств, велика металлоемкость установки, что приводит к недостаточной эффективности кавитационного реактора.

Наиболее близким из известных реакторов к предложенному по технической сущности, по совокупности признаков и достигаемому эффекту является ротационная установка (испытательный стенд), основными элементами которой является рабочая камера в корпусе с вращающимся в ней диском, на котором перпендикулярно его плоской поверхности установлены три кавитатора через 120^о по окружности, кавитаторы выполнены в виде цилиндров, которые входят в круговые пазы неподвижно установленной успокоительной решетки [2].

Основные недостатки прототипа следующие. Цилиндрические обтекатели установлены непосредственно на плоской поверхности высокоскоростного кавитатора; обтекатели установлены по одному, то есть на диске всего три цилиндрических обтекателя; давление рабочей жидкости в корпусе постоянно, то есть не регулируется.

Целью изобретения является повышение эффективности реактора путем интенсификации кавитации.

Цель достигается тем, что кавитационный реактор, в корпусе которого размещены снабженный приводом подвижный высокоскоростной кавитатор с установленными на нем цилиндрическими обтекателями и успокоительная решетка с выполненными в ней пазами, сопряженными с обтекателями на диске, дополнительно снабжен опорами, закрепленными на диске, на опорах установлены обтекатели, а ряды обтекателей размещены радиально с уменьшением диаметра обтекателей от центра к периферии диска, при этом должно быть дополнительно выполнено соотношение 0,7 ≅ a/D₁≅ 1,3, где а - расстояние между обтекателями; D1 - диаметр ближайшего к центру вращения обтекателя.

При этом опоры выполнены треугольного сечения, не выходящего за пределы сечения каждого обтекателя. Кавитационный реактор снабжен регулятором давления рабочей жидкости в корпусе, например пневматическим.

На фиг.1 изображен кавитационный реактор, поперечный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - схема ротационного стенда с кавитационным реактором; на фиг.4 - поперечный разрез по диску с установленным на диске цилиндрическим обтекателем на опоре треугольного поперечного сечения; на фиг. 5 - график кинетической зависимости относительной потери массы образцов от относительного расстояния установки цилиндрического кавитатора от диска.

Кавитационный реактор содержит корпус 1, диск 2, образец 3 для определения интенсивности кавитации, обтекатель 4, приводной электродвигатель 5, детали успокоительной решетки 6, смотровое окно 7 для наблюдения и фото- или киносъемки, область кавитационной каверны 8, опору 9 обтекателя, бак 10 водоподготовки, насос 11, корпус рабочей камеры 12 кавитационного реактора, теплообменный холодильник 13, запорную арматуру 14 на трубопроводах воды и воздуха, диаметр D1 15 расположения ближайшего к центру вращения обтекателей, диаметры 16, 17 расположения следующих обтекателей в ряду, патрубок 18 для подачи регулируемого давления воздуха, патрубок 19 для подачи технической воды в теплообменный холодильник 13, патрубки 20 для подачи ингредиентов смеси в корпус 1 кавитационного реактора.

Кавитационный реактор работает следующим образом.

Система бак 10 - корпус 1 - водоводы - насос циркуляционный 11 (фиг.3) заполняется конденсатом (дистиллированной водой) для обеспечения чистоты и стабильности эксперимента. Через патрубок 18 подается воздух, давлением которого регулируется давление воды в системе, через патрубок 19 подается техническая вода в холодильник 13 для регулирования температуры воды в системе реактора. Запускается асинхронный электродвигатель 5, вращающий диск 2, причем частота вращения регулируется частотным преобразователем типа ЭКТ 2Д-160/380 или другого типа. При этом в корпусе 1 кавитационного реактора создается высокоскоростное кавитационное течение (20-60 м/с) за счет вращения обтекателей 4 в воде относительно пазов успокоительной решетки 6, расположенной с двух сторон от обтекателей 4. Успокоительная решетка 6, установленная перед диском 2, снижает эффект вращения. Обтекатели 4 выполнены в виде металлических цилиндров с насечкой и установлены на диске 2 с помощью опор 9 (фиг.5) некруглого поперечного сечения - наилучшее с точки зрения эффективности кавитации - треугольное сечение опор 9. В экспериментах испытаны опоры 9 квадратного, круглого, ромбовидного сечения, при этом опытным путем доказано, что оптимален выбор опоры 9 треугольного сечения. Для наблюдения за работой реактора в одной из крышек корпуса 1 выполнено смотровое окно, перекрытое светопрозрачным материалом. В процессе испытаний варьировались три характерных параметра кавитационного течения длина кавитационной каверны l_к , что число кавитации κ , число Струхаля Sh. Длина каверны изменялась дискретно в пределах l_к = (1,5 - 5,0) d_ц , где d_ц - диаметр цилиндра обтекателя 4. Установка соответствующей длины каверны осуществляется регулированием статического давления в системе кавитационного реактора с помощью бака 10 (водо-воздушный бак) подачей воздуха в патрубок 18. Контроль за длиной каверны l_к или тарировка кавитационного реактора производится по рискам, нанесенным на полированный образец 3, установленный заподлицо с плоскостью диска 2, при освещении последнего стробоскопическим светом. Для варьирования числа Струхаля используются обтекатели с различным диаметром цилиндра, например 6, 12, 18 мм. Регистрация параметров и характера кавитационного течения производится двумя способами - методом синхронизированной фотосъемки и методом высокочастотной киносъемки ([2], 8000 кадров в 1 с) с использованием синхронизирующих контактов на валу диска 2. В качестве рабочей жидкости используется конденсат промышленной ТЭЦ. Перед каждым опытом система заполняется свежим конденсатом, который отстаивается 12 ч для удаления газа. В процессе проведения эксперимента периодически осуществляется контроль газосодержания в рабочей жидкости.

В результате обработки кинопленок выявляют характерные параметры кавитационной каверны, определяющие ее активность, как основного действующего элемента в кавитационном реакторе. При обтекании подвижных цилиндров в ряду в отличие от неподвижного кавитационная зона имеет сложную структуру и образуется наложением кавитационных каверн трех типов: поперечно-вихревой, продольно-вихревой и торцевой, причем частоты срыва каверны различных типов различаются между собой. Сложный характер кавитационного течения обусловлен также действием центробежных сил, отсутствующих в случае неподвижных цилиндров [1] . Характер кавитации при смешивании разных веществ различен и требует отдельного исследования для каждого набора ингредиентов в смеси. При этом варьируются длина и скорость роста кавитационных каверн, частота срыва и скорость отрыва каверн, скорость схлопывания каверн, причем последним показателем в значительной мере определяется кавитационная эффективность выбранного режима. Например, в одном из исследований доказано, что добавление в воду незначительного количества поверхностно-активного полимера октадециламина снижает динамические свойства кавитационных каверн, то есть уменьшает эрозионную активность каверн [2].

Экспериментальным путем установлено, что максимальная активность кавитационного процесса возникает при относительной длине кавитационной каверны, равной 2,5 диаметр цилиндра обтекателя. Длина каверны регулируется подбором соответствующего давления в корпусе 1 при заданной частоте вращения диска 2.

При установке в радиальном ряду на диске 2 цилиндрических обтекателей 4 одинакового диаметра, за каждым из обтекателей 4 образуются каверны 8 разной длины, поскольку длина каверны 8 увеличивается по мере удаления обтекателя от центра вращения за счет увеличения окружной скорости перемещения обтекателя 4. Для обеспечения одинаковой в ряду обтекателей 4 длины каверны 8 в одном ряду устанавливают цилиндрические обтекатели 4 с равным диаметром цилиндра, при этом уменьшают их диаметр по мере удаления от центра вращения диска 2. Оптимизация геометрических характеристик, в частности диаметров цилиндров обтекателей 4 и расстояния между ними проводится экспериментальным путем. Интенсивность кавитационного воздействия оценивают по потере массы образцов 3, выполненных из листового алюминия прямоугольной формы.

Оценка повышения эффективности кавитационного процесса показывает в эксперименте рост в сравнении с прототипом в 1,5-2 раза (на 50-100%) в зависимости от состава смеси.

Совокупность всех перечисленных выше признаков изобретения, а именно: снабжение реактора опорами, например, треугольного сечения, закрепленными на диске, и установка на опорах цилиндрических обтекателей, размещение рядов обтекателей радиально с уменьшением диаметра обтекателей от центра диска к его периферии с повышением при этом соотношения 0,7 ≅ а/D₁ ≅ 1,3, где а - расстояние между обтекателями, D₁ - диаметр цилиндра, ближайшего к центру вращения обтекателя, - обеспечивает повышение эффективности реактора путем интенсификации кавитационного процесса в 1,5-2 раза, при этом совокупное использование всех признаков изобретения в одном устройстве обеспечивает работоспособность. Регулятор давления рабочей жидкости в корпусе 1 с помощью бака 10 водоподготовки обеспечивает регулирование уровня кавитации, выбор оптимального режима для каждого отдельного набора ингредиентов смеси, подаваемой в кавитационный реактор.

Как показал анализ патентной и научно-технической литературы, благодаря совокупности отличительных признаков у заявляемого устройства появляется новое свойство, ведущее к достижению нового положительного эффекта, заключающегося в повышении эффективности кавитационного реактора и снижению металлоемкости в сравнении с ранее заявленными изобретениями.

Использование: смешивание неоднородных жидкостей с различными физическими свойствами и приготовление эмульсий, суспензий. В корпусе 1 кавитационного реактора, заполненной рабочей жидкостью, расположен дисковый высокоскоростной кавитатор с цилиндрическими обтекателями 4 на диске 2, сопряженными с пазами в успокоительной решетке 6. Сущность изобретения: обтекатели установлены на диске посредством опор 9 треугольного сечения и рядами по радиусам диска, причем с уменьшением диаметра обтекателя от центра диска к его периферии. При этом необходимо выполнение соотношения 0,7≅a/D₁≅1,3, где a - расстояние между обтекателями, D₁ - диаметр обтекателя, ближайшего к центру вращения диска. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР, в корпусе которого размещен снабженный приводом подвижный высокоскоростной кавитатор в виде диска с установленными на нем цилиндрическими обтекателями и успокоительная решетка с выполненными в ней пазами, сопряженными с обтекателями на диске, отличающийся тем, что реактор снабжен опорами, закрепленными на диске, на которых установлены обтекатели, а ряды обтекателей размещены радиально с уменьшением диаметра обтекателей от центра к периферии диска, при этом должно быть выполнено соотношение
0,7 ≅ a / D₁ ≅ 1,3,
где a - расстояние между обтекателями;
D₁ - диаметр ближайшего к центру вращения обтекателя. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что опоры выполнены треугольного сечения, не выходящего за пределы сечения каждого обтекателя. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что реактор снабжен регулятором давления рабочей жидкости в корпусе, например пневматическим.